分段壓裂高壓回接密封關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用

趙 聰，侯承勛，姚輝前，孫澤秋

近幾年，水平井固井分段壓裂技術(shù)在開發(fā)低滲透油氣田方面越來越受到重視[1]。在水平井分段壓裂作業(yè)中，需要根據(jù)現(xiàn)場情況下入壓裂管柱進(jìn)行二次回接作業(yè)。在進(jìn)行回接作業(yè)時，將回接裝置安裝在回接管串的底部，插入到尾管懸掛器頂部的回接筒中，通過回接裝置的密封和鎖緊機(jī)構(gòu)實現(xiàn)管柱上下的鎖緊與密封。為了避免在固完井作業(yè)中發(fā)生管內(nèi)外壓力聯(lián)通的現(xiàn)象，保證下一步壓裂施工作業(yè)順利進(jìn)行，回接作業(yè)對尾管懸掛器及配套回接裝置提出了很高的技術(shù)要求，回接裝置必須具有極高的抗刮碰性能和較高的密封性能，其密封能力需達(dá)到 50 MPa甚至70 MPa。

常規(guī)回接裝置的密封組件通常采用多組O形密封圈與金屬壓環(huán)或V形密封圈–O形密封圈的組合方式實現(xiàn)密封，由于密封圈形狀和密封組件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在回接裝置進(jìn)行試插作業(yè)時，密封圈容易與井口或回接筒之間產(chǎn)生摩擦變形，甚至被刮出損壞，從而造成密封失效。因此，在常規(guī)回接裝置的基礎(chǔ)上，開展高壓回接密封技術(shù)的研究，通過對密封組件組合方式的優(yōu)化和高性能橡膠的優(yōu)選，研制用于高壓回接裝置的高性能密封組件。

1 關(guān)鍵技術(shù)研究

1.1 組合密封方式的研究

在進(jìn)行水平井分段壓裂作業(yè)時，先將完井管柱送入井底預(yù)定位置，投球坐掛后將送入鉆具提出，之后再根據(jù)設(shè)計要求進(jìn)行壓裂管柱回接作業(yè)。與常規(guī)尾管回接作業(yè)不同，壓裂管柱回接作業(yè)對尾管懸掛器及配套回接裝置有著更高的技術(shù)要求[2]?；亟友b置插入回接筒后，密封組件與回接筒之間形成橡膠對金屬密封，故對密封組件提出了大間隙高壓密封需求。并且，進(jìn)行回接作業(yè)時，回接管柱要進(jìn)行多次插拔動作，故對密封組件提出了較高抗刮碰的需求。密封組件需同時滿足以上兩點(diǎn)要求，才能避免在壓裂作業(yè)時密封失效導(dǎo)致管內(nèi)外發(fā)生壓力聯(lián)通。

因此，密封組件的組合密封方式對其耐高壓性能起著至關(guān)重要的作用，目前回接裝置密封組件主要有三種形式，如圖1所示。

圖1 三種不同密封性組件對比

第一種密封組件如圖1左例所示，通過單個O形密封圈和金屬壓環(huán)進(jìn)行排列組合，依靠兩側(cè)金屬壓環(huán)固定O形密封圈。這種組合方式的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)比較簡單，加工量較少且易于加工，在較低壓力下（35 MPa左右），O形密封圈在壓力作用下發(fā)生擠壓變形，與回接筒內(nèi)壁間形成有效密封。缺點(diǎn)是O形密封圈在回接裝置通過回接筒時，容易發(fā)生磨損，造成密封失效，并且O形密封圈突出量較小，不能滿足高壓密封需求。

第二種密封組件如圖1中例所示，在單個O形密封圈的兩側(cè)安裝金屬壓環(huán)和多個方向?qū)ΨQ的V形密封圈形成密封單元。這種組合方式的優(yōu)點(diǎn)是對稱方向安裝的V形密封圈能夠做到上下雙向密封，并且選用的V形密封橡膠圈的數(shù)量較多，能夠承受更高的密封壓力（最高可達(dá)70 MPa）。缺點(diǎn)是在回接裝置多次插入到回接筒時，V形密封圈容易被刮出，導(dǎo)致密封組件松動，造成密封失效[3]。

第三種密封組件如圖1右例所示，選用一個O形密封圈和一個金屬基環(huán)，并在金屬基環(huán)外側(cè)硫化橡膠，構(gòu)成一個密封組件，由多個密封組件形成一個密封單元，依靠硫化橡膠與回接筒內(nèi)壁之間產(chǎn)生的壓縮應(yīng)力形成密封。其優(yōu)點(diǎn)是組合方式結(jié)構(gòu)相對簡單，密封壓力較高（可達(dá)70 MPa），并且可以根據(jù)實際需求調(diào)節(jié)密封組件數(shù)量，達(dá)到不同井況的密封要求[4]。同時，橡膠整體硫化在金屬基環(huán)上，具有較高的抗刮碰性能，在回接裝置多次插入回接筒時，即便發(fā)生橡膠磨損甚至刮傷，也不會由于密封組件松動而導(dǎo)致密封失效的后果。

對比以上三種密封組件結(jié)構(gòu)，得出以下結(jié)論：第一種密封組件雖結(jié)構(gòu)簡單，但不能滿足高壓密封需求；第二種密封組件雖可滿足高壓密封需求，但在回接裝置多次插拔過程中，易發(fā)生結(jié)構(gòu)松動，造成密封失效；第三種密封組件結(jié)構(gòu)簡單，密封壓力高，且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定不易發(fā)生密封失效。因此，為滿足水平井分段壓裂作業(yè)對密封組件提出的高要求，高壓回接密封組件將選用第三種密封組件形式。采用金屬基環(huán)與橡膠材質(zhì)，通過整體硫化工藝，組成一個密封原件，多組密封原件一起使用，形成一個高密封性能、高抗刮碰性能的密封單元。

1.2 橡膠性能研究與優(yōu)選

密封組件作為回接裝置的主要組成部分，是井下工具密封的關(guān)鍵因素。其密封的可靠性不僅取決于合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，還與所選用橡膠材料是否得當(dāng)有很大關(guān)系，故密封組件的橡膠材料優(yōu)選極為關(guān)鍵。

回接裝置一般在高溫高壓條件下使用，同時還可能受到硫化氫、蒸汽、酸堿等侵蝕。在這樣的環(huán)境中，橡膠材料將會發(fā)生油溶脹、老化、過度交聯(lián)等現(xiàn)象，橡膠材料的硬度、強(qiáng)度、彈性發(fā)生不同程度的變化[5]，橡膠材料容易破壞，導(dǎo)致密封失效。

根據(jù)對幾種常規(guī)橡膠的各項性能參數(shù)進(jìn)行對比（丁腈橡膠、氫化丁腈橡膠、硅橡膠、氟橡膠、丙烯酸酯橡膠），用于高壓回接密封組件的橡膠材料初步定為氫化丁腈橡膠和氟橡膠。

氫化丁腈橡膠是丁腈橡膠在氫化作用下，其分子鏈中聚丁二烯鏈節(jié)上的雙鍵達(dá)到飽和而產(chǎn)生的，通常也稱為飽和丁腈橡膠。氫化丁腈橡膠中的飽和結(jié)構(gòu)賦予其優(yōu)異的彈性、耐氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性及低溫?fù)闲缘萚5]。氫化丁腈橡膠具有良好的加工成形性能，并且抗壓縮永久變形性能突出，近幾年被廣泛應(yīng)用在封隔器膠筒、密封圈上。

氟橡膠是分子結(jié)構(gòu)中含有氟原子的一種合成橡膠，化學(xué)穩(wěn)定較高，是現(xiàn)有耐介質(zhì)性能最好的一種彈性材質(zhì)，不僅具有良好的物理機(jī)械性能，并且耐高溫、耐化學(xué)腐蝕。但是氟橡膠的物理性能和硬度均隨溫度的升高而變化較大，并且存在可塑性差、加工成形性差、價格昂貴的缺點(diǎn)。這兩種橡膠的主要性能指標(biāo)對比，如表1所示。

在水平井井底溫度低于150 ℃條件下，氫化丁腈橡膠具有較好的耐溫性能、良好的耐油耐酸堿性、較高的拉伸強(qiáng)度、較好的彈性、耐老化性能及易加工成形性能等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足回接作業(yè)中耐高壓耐磨損的作業(yè)需求，且與氟橡膠相比價格相對低廉，制作成本較低，故選取氫化丁腈橡膠作為目前優(yōu)選的密封組件橡膠材料。

表1 氫化丁腈橡膠和氟橡膠的主要性能指標(biāo)

1.3 密封組件結(jié)構(gòu)與技術(shù)參數(shù)

基于以上對密封組件結(jié)構(gòu)研究，該高壓回接密封機(jī)構(gòu)采用金屬基環(huán)和橡膠密封圈的組合方式，該種組合方式結(jié)構(gòu)簡單，組裝使用方便靈活，能夠通過橡膠與回接筒間的壓縮形成高效密封，抗刮碰性能良好，滿足回接作業(yè)中的高壓密封要求。

在實際應(yīng)用中，通常采用3～4個密封組件組成一個密封單元（表2），可以根據(jù)不同井況選擇多組密封單元，與常規(guī)回接裝置或新型回接裝置配套使用。同時，模塊化的設(shè)計既減少了加工難度和成本，又節(jié)約了組裝時間，使用更加靈活便捷。

表2 密封組件基本數(shù)據(jù)

2 地面性能試驗

2.1 地面性能試驗裝置

高壓回接密封機(jī)構(gòu)上密封組件的橡膠規(guī)格和抗刮碰性能對高壓回接密封機(jī)構(gòu)的整體密封效果起到?jīng)Q定性的作用。因此分別設(shè)計不同公差等級的密封組件，對高壓回接密封機(jī)構(gòu)進(jìn)行整體密封試驗和重復(fù)插拔性能試驗，從而優(yōu)選出密封組件的結(jié)構(gòu)。

設(shè)計試驗裝置（Φ177.8 mm API扣打壓接頭、試驗堵頭、回接筒、本體，套筒等），選用3個密封單元，每個密封單元包含3個密封組件，選擇拉伸試驗機(jī)一臺，電動試壓泵一臺，上扣機(jī)一臺。本體右端連接堵頭，左端連接打壓接頭，兩組密封單元和套筒分別安裝在本體上，回接筒連接堵頭，見圖2。

圖2 整體密封試驗裝置

2.2 密封組件性能評價

2.2.1 整體密封性能評價

分別選取不同公差等級的密封組件，按照圖 2所示，組裝一套高壓回接密封試驗裝置。采用電動試壓泵進(jìn)行打壓，實時監(jiān)測管內(nèi)壓力。打壓過程中以10 MPa的增量從40 MPa打壓至70 MPa，每個壓力等級憋壓驗證10 min，打壓過程中，無壓力下降為合格。

在密封試驗中，較低公差等級的密封組件在高壓承壓過程中壓力有明顯壓降，為不合格。較高公差等級的密封組件可以達(dá)到滿足密封要求，各承壓階段均能穩(wěn)壓10 min，無壓力下降，試驗最高密封能力達(dá)70 MPa，整體無滲漏，表明可以滿足現(xiàn)場需要。

2.2.2 重復(fù)插拔性能評價

選取密封性能良好的密封組件，組裝一套高壓回接密封機(jī)構(gòu)。將高壓回接密封機(jī)構(gòu)固定在拉伸試驗機(jī)一端，回接筒安裝在拉伸試驗機(jī)可前后移動的另一端。利用拉伸試驗機(jī)將回接筒推向高壓回接密封機(jī)構(gòu)，使高壓回接密封機(jī)構(gòu)逐漸插入回接筒中，直至高壓回接密封機(jī)構(gòu)上的密封組件全部插入回接筒。經(jīng)過多次插入、拔出試驗，密封組件上的橡膠整體結(jié)構(gòu)完好，無明顯磨損為合格。

在 5次插拔過程中，高壓回接密封機(jī)構(gòu)在 40 MPa壓力下均可順利插入回接筒中，從回接筒中拔出后，密封組件上的硫化橡膠結(jié)構(gòu)無損壞，外觀完好，無明顯劃痕，證明密封組件具備較高的抗刮碰性能，可滿足現(xiàn)場施工需求。

3 現(xiàn)場應(yīng)用

3.1 保頁1井

3.1.1 基本情況

保頁1井是位于湖南保靖頁巖氣探礦區(qū)的一口探井，完鉆層位為上奧陶統(tǒng)寶塔組，井深2 830 m。Φ244.5 mm×Φ139.7 mm規(guī)格的尾管懸掛器位置在2 030 m，Φ139.7 mm規(guī)格尾管長800 m，裸眼段長649.5 m。由于該井需要利用增產(chǎn)技術(shù)進(jìn)行儲層改造，Φ244.5 mm技術(shù)套管無法承受儲層改造過程中的較高施工壓力，因此，需要進(jìn)行Φ139.7 mm非固井回接壓裂管柱作業(yè)，再進(jìn)行橋塞分段壓裂作業(yè)，作業(yè)結(jié)束后起出回接壓裂管柱。預(yù)計最高施工壓力達(dá)到90 MPa，要求回接插頭密封能力達(dá)到70 MPa。

印尼語言教育的有關(guān)法律規(guī)定印尼語是各教學(xué)單位的教學(xué)用語，小學(xué)三年級以下可以適當(dāng)使用該地方的地方語，而外語只能在該外語課程教學(xué)中使用。確切地說，印尼語既是課程語言又是語言課程，而華語只是各教育階段的語言課程，并僅為華語課程的課程語言。

3.1.2 應(yīng)用情況

根據(jù)該井的高壓密封需求，回接裝置采用高性能密封組件，選取3個密封組件組成一個密封單元，回接裝置共裝配4個密封單元。

施工分為四個階段。一是Φ244.5 mm×Φ139.7 mm尾管固井作業(yè)，該技術(shù)的成功實施是后續(xù)施工的基礎(chǔ)，施工過程依次為尾管串入井，坐掛尾管懸掛器，送入工具丟手，替漿作業(yè)，完成固井作業(yè)；二是Φ139.7 mm非固井回接壓裂管柱作業(yè)，該技術(shù)是整個工程實施的的核心環(huán)節(jié)，施工過程依次為掃上塞，磨銑回接筒，下入“高壓回接密封機(jī)構(gòu)+水力錨+回接套管”組合回接，管內(nèi)試壓到66 MPa，環(huán)空試壓25 MPa，分別穩(wěn)壓30 min，回接壓裂管柱技術(shù)密封性能達(dá)到后續(xù)施工需求，密封良好；三是橋塞分段壓裂作業(yè)，該井采取三段橋塞壓裂技術(shù)，其中第一段施工壓力最高達(dá)到72.5 MPa，整體密封良好；四是回接壓裂管柱起出作業(yè)，壓裂作業(yè)結(jié)束后，順利提出回接裝置，四組密封組件均結(jié)構(gòu)完整，硫化層外觀完好無明顯損壞，證明該高性能回接密封機(jī)構(gòu)的性能可滿足分段壓裂作業(yè)中的高壓密封及重復(fù)抗刮碰的性能需求。

3.2 JPH-324井

3.2.1 基本情況

JPH-324是東勝氣田的一口開發(fā)水平井，三級井身結(jié)構(gòu)，采用Φ177.8 mm套管+懸掛Φ114.3 mm尾管固井完井，尾管懸掛器以上回接Φ114.3 mm套管至井口，再進(jìn)行分段壓裂作業(yè)。上層Φ177.8 mm技術(shù)套管下深3 303 m，Φ152.4 mm鉆頭完鉆井深為4 503 m，水平段長為1 200 m。

3.2.2 應(yīng)用情況

4 結(jié)論

（1）高壓回接密封機(jī)構(gòu)采用金屬基環(huán)與氫化丁腈橡膠整體硫化的結(jié)構(gòu)，具有高抗刮碰性、高密封性的特點(diǎn)。

（2）密封組件選用合理的模塊化設(shè)計，可根據(jù)需求進(jìn)行靈活的排列組合，既節(jié)約了組裝時間和成本，又能滿足現(xiàn)場需求的多樣性。

（3）現(xiàn)場應(yīng)用結(jié)果表明，高壓回接密封機(jī)構(gòu)具有高密封能力、高抗刮碰能力，可滿足現(xiàn)場壓裂作業(yè)需求。

參考文獻(xiàn)

[1] 詹鴻運(yùn)，劉志斌，程志遠(yuǎn)，等.水平井分段壓裂裸眼封隔器的研究與應(yīng)用[J].石油鉆采工藝，2011，33（1）：123–125.

[2] 朱正喜，李永哥.蘇里格氣田水平井裸眼完井分段壓裂技術(shù)研究[J].石油機(jī)械，2012，40（5）：75–77.

[3] 朱和明，薛占峰，趙聰，等.分段壓裂專用懸掛器關(guān)鍵技術(shù)研究與應(yīng)用[J].石油機(jī)械，2013，41（5）：79–84.

[4] 馬蘭榮，馬開華，王建全，等.新型耐高壓封隔回接插頭的研制與應(yīng)用[J].石油鉆探技術(shù)，2004，32（6）：35–37.

[5] 朱景芬，黃光速，李錦山，等.氫化丁腈橡膠的結(jié)構(gòu)與性能[J].合成橡膠工業(yè)，2008，31（2）：118–121.

[6] 陸剛.氟橡膠結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其應(yīng)用和發(fā)展探源[J]. 化學(xué)工業(yè)，2014，32（7）：32–38.

[7] 王建軍，于志強(qiáng).水平井裸眼選擇性分段壓裂完井技術(shù)及工具[J].石油機(jī)械，2011，39（3）：59–62.

[8] 王勵斌，陳德廣.水平井裸眼選擇性分段壓裂完井技術(shù)及工具[J].石油礦場機(jī)械，2011，40（4）：70–74.

[9] 劉科偉，李家明，魏光華，等. 雙封拖動分層壓裂管柱的研制與應(yīng)用[J]. 石油地質(zhì)與工程，2015，29（4）：141–143.

[10] 曹忠林. 段內(nèi)多縫壓裂工藝技術(shù)在蘇 53-78-27H井的應(yīng)用[J]. 石油地質(zhì)與工程，2014，28（1）：121–123,126.